JP2003312474A - 鉄道車両空調装置の除湿制御方法、および鉄道車両空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数台の冷凍サイクルを同一装置内に備える
鉄道車両空調装置において、冷房運転と暖房運転を同時
に行うことにより車室内の除湿を行ない、室内送風機の
吹出し温度を常に快適に保つように除湿運転を制御す
る。 【解決手段】 鉄道車両空調装置内の少なくとも一つの
冷凍サイクルが冷・暖両用のヒートポンプで構成され、
冷房運転と暖房運転を同時に行なって除湿する空調装置
において、室内の温度検知器２、湿度検知器３、室外の
温度検知器４、湿度検知器５を備え、車室内外の温度差
と湿度差から顕熱及び潜熱負荷を予測し、予測した潜熱
負荷を満たすように冷房運転側の冷凍サイクルを制御
し、現在の室内の顕熱負荷と冷房による顕熱除去量から
再加熱量を予測し、予測した再加熱量を満たすように暖
房運転側の冷凍サイクルを制御して除湿運転を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は鉄道車両空調装置の
除湿制御方法および鉄道車両空調装置に係り、特に、鉄
道車両に現在具備されている空調装置にも適合し、その
除湿運転を行う必要のあるものに好適な鉄道車両空調装
置の除湿運転技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、除湿運転の技術としては、ルーム
エアコンの例であるが、特開平８−２８５３５３号公報
に記載の例がある。この技術は、室内に要求される環境
状態から顕熱負荷および潜熱負荷を求め、この負荷量を
満たすように室内機の吹出し温度および吹出し風量を算
出し、この設定状態となるように、少なくとも圧縮機の
運転周波数および室内ファンの回転数を制御する技術で
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、複数台の冷凍サ
イクルを同一装置内に備える鉄道車両空調装置で、冷房
運転と暖房運転を同時に行って除湿運転を行う空調装置
では、目標温湿度を満たすように、室内温度および湿度
は、冷房運転による潜熱・顕熱除去熱量と、暖房による
顕熱加熱量とを制御しなければならない。

【０００４】しかし、上記従来技術には、暖房運転によ
る顕熱加熱量が考慮されていないために、鉄道車両空調
装置で冷房運転と暖房運転を同時に行って除湿運転を行
う除湿方式には適用できない。

【０００５】本発明の目的は、複数台の冷凍サイクルを
同一装置内に備える鉄道車両空調装置において、冷房運
転と暖房運転を同時に行うことによって車室内の除湿を
行ない、室内送風機の吹出し温度を常に快適に保つ除湿
運転を行うことが可能な鉄道車両空調装置およびその除
湿制御方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、複数の冷凍サイクルのうち、少なくとも一
つの冷凍サイクルが冷房・暖房両用のヒートポンプで構
成され、冷房運転および暖房運転を運転可能な鉄道車両
空調装置の除湿制御方法であって、鉄道車両の車室内の
目標温湿度に対する顕熱負荷および潜熱負荷を検知し、
該潜熱負荷を満たすように冷房運転を行なうとともに、
該冷房運転による顕熱除去量と前記顕熱負荷とから求め
た再加熱量を満たすように暖房運転を行なうことを特徴
とするものである。

【０００７】本発明によれば、車室内の潜熱負荷を満た
すように冷房運転することにより車室内の目標湿度に対
する過剰な湿気が除去される。さらに、この冷房除湿運
転による温度低下すなわち顕熱除去量と、車室内の顕熱
負荷とから、暖房運転による再加熱量を求め、これを満
たすように暖房運転を行なうことにより、車室内の目標
温湿度を実現できる。

【０００８】さらに、乗車率を検知することによって乗
客の乗降による乗車率の変動を検知し、乗客の発熱・発
汗による潜熱・顕熱負荷の変動を算出する。この結果、
乗車率の変動による負荷変動に対応した除湿運転が可能
となる。

【０００９】また、台数制御による冷房および暖房能力
の制御に加えて、各冷凍サイクルに能力可変手段を設け
ることによって、除湿および再加熱能力をより細かく制
御することができ、負荷の変動により細かく対応するこ
とができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態の概要は、鉄道
車両の車室内の温湿度を目標設定値に維持するために、
車室内外の温湿度や乗車率などの環境変化を検知し、そ
の変化に応じて冷房運転で除湿を行ない、この除湿冷房
運転による冷え過ぎを暖房運転で是正して設定温度にす
る。こうすることにより、車室内の温湿度を目標設定値
にするようにしたものである。

【００１１】すなわち、車室内外の温湿度差や乗車率の
変化から、目標とする設定温湿度に対する現在の車室内
の顕熱負荷および潜熱負荷を予測する。この予測された
潜熱負荷を満たすように冷房側の冷凍サイクルの能力を
制御して冷房による除湿運転を行う。一方、この冷房除
湿運転による顕熱の除去量と、予測される現在の車室内
の顕熱負荷から必要再加熱能力を予測し、予測された再
加熱量を満たすように暖房運転側の冷凍サイクルを制御
して運転を行うものである。

【００１２】以下、本発明の実施形態を図１〜図３を参
照して説明する。ここで、図１は本発明に係る鉄道車両
空調装置の除湿制御システムと、その処理手順を表した
ブロック線図、図２は本発明に係る除湿制御システムを
適用することができる鉄道車両空調装置の平面図であ
る。

【００１３】図１に示す除湿制御システムには、利用者
の好みの室内温湿度に設定することを可能とするコンソ
ール１、室内温湿度を検知する室内温度検知器２、室内
湿度検知器３、室外温湿度を検知する室外温度検知器
４、室外湿度検知器５、乗客の乗車率を検知する検知装
置６、各冷凍サイクルの状態を検知する検知装置７、８
（例えば、圧縮機運転周波数検知装置７、減圧装置の絞
り量を検知する検知装置８）、制御盤９、および種々の
情報より空調装置の出力を制御するコントローラ１０に
より構成されている。

【００１４】図２に示す鉄道車両空調装置１１は、圧縮
機１２ａの吐出口に電動四方弁１３を介して冷媒流路の
一端を接続された室外熱交換器１４ａと、室外熱交換器
１４ａの冷媒流路の他端に減圧装置である膨張弁１５ａ
を介して冷媒流路の一端を接続された室内熱交換器１６
ａ、１６ａ_１とを備えている。

【００１５】そして、室内熱交換器１６ａ、１６ａ_１の
冷媒流路の他端を前記電動四方弁１３に接続する管路
と、電動四方弁１３と圧縮機１２ａの吸込み口を接続す
る管路と、圧縮機１２ｂの吐出口に冷媒流路の一端を接
続された室外熱交換器１４ｂと、室外熱交換器１４ｂの
冷媒流路の他端に減圧装置である膨張弁１５ｂを介して
冷媒流路の一端を接続された室内熱交換器１６ｂ、１６
ｂ_１と、室内熱交換器１６ｂ、１６ｂ_１の冷媒流路の他
端を圧縮機１２ｂの吸込み口に接続する管路とを備えて
いる。

【００１６】また、室外空気を前記した室外熱交換器１
４ａ、１４ｂを経て吸込み、室外に吐出するように配値
された室外送風機１７と、室内空気を前記室内熱交換器
１６ａ、１６ａ_１、１６ｂ、１６ｂ_１を経て吸込み、室
内に吐出するように配値された室内送風機１８とを備え
ている。

【００１７】さらに、冷凍サイクルを制御するコントロ
ーラ１０と、制御盤９と、圧縮機の周波数を制御するイ
ンバータ１９と、図示されていないコンソール１、室内
温度センサ２、室内湿度センサ３、室外温度センサ４、
室外湿度センサ５、乗車率を検知するセンサ６、空調装
置の状態を検知する検知装置７、８などから構成されて
いる。

【００１８】なお、図示の鉄道車両空調装置１１は、図
中、番号の添字ａで示されている機器で形成された冷・
暖房両用のヒートポンプ式冷凍サイクルと、番号の添字
ｂで示されている機器で形成された冷房専用の冷凍サイ
クルで構成されている。室外送風機１７と室内送風機１
８は両冷凍サイクルで共用している。

【００１９】本実施形態では、冷房専用の冷凍サイクル
が１系統、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルが
１系統の合計２系統の場合を示しているが、本発明は本
実施形態に限定されるものではなく、それぞれの冷凍サ
イクルを複数系統設けても良い。また、冷凍サイクルの
能力制御手段として膨張弁１５ａ、１５ｂや、インバー
タ１９を用いているが、前記以外の制御手段を用いて冷
房・暖房能力を制御しても良い。

【００２０】以下、本実施形態の鉄道車両空調装置の動
作を、ヒートポンプ式の冷・暖両用の冷凍サイクルをＡ
サイクル、冷房専用の冷凍サイクルをＢサイクルと略記
して説明する。

【００２１】Ａサイクルの冷房運転時には、電動四方弁
（以下、四方弁という）１３は、圧縮機１２ａの吐出口
と室外熱交換器１４ａ（凝縮器）の冷媒流路を連通する
と共に、室内熱交換器１６ａ、１６ａ_１の前記他端と圧
縮機１２ａの吸込み口を連通する位置に操作される。

【００２２】すなわち、圧縮機１２ａから吐出された高
温・高圧ガスの冷媒は、四方弁１３を通り、室外熱交換
器１４ａ（凝縮器）で外気により冷却されて高圧の液冷
媒となる。高圧の液冷媒は、膨張弁１５ａで減圧された
後、室内熱交換器１６ａ、１６ａ_１（蒸発器）で客室の
室内空気から熱を奪って低圧のガス冷媒となり、四方弁
１３を経て圧縮機１２ａに戻る。

【００２３】Ａサイクルの暖房運転時は、四方弁１３
は、圧縮機１２ａの吐出口と室内熱交換器１６ａ、１６
ａ_１の前記他端と連通すると共に、室外熱交換器１４ａ
（凝縮器）の冷媒流路の一端と圧縮機１２ａの吸込み口
を連通する位置に操作される。

【００２４】すなわち、圧縮機１２ａから吐出された高
温・高圧のガス冷媒は、四方弁１３を通り、室内熱交換
器１６ａ、１６ａ_１（凝縮器）で室内空気により冷却さ
れて高圧の液冷媒になる。高圧の液冷媒は膨張弁１５ａ
で減圧された後、室外熱交換器１４ａ（蒸発器）におい
て外気から熱を奪って低圧のガスとなり、圧縮機１２ａ
に戻る。

【００２５】冷房専用のＢサイクルにおいては、圧縮機
１２ｂから吐出された高温・高圧のガス冷媒は、室外熱
交換器１４ｂ（凝縮器）で外気により冷却されて高圧の
液冷媒になる。高圧の液冷媒は、膨張弁１５ｂで減圧さ
れた後、室内熱交換器１６ｂ、１６ｂ_１（蒸発器）で室
内空気から熱を奪って低圧のガス冷媒となり、圧縮機１
２ｂに戻る。

【００２６】このとき、冷房・暖房運転時の冷房・暖房
能力は、図３に示すような制御方法で制御される。すな
わち、室内温度検知器２、室内湿度検知器３により、室
内温度・湿度を検知し、室外温度検知器４、室外湿度検
知器５により、室外温度・湿度を検知する。さらに、乗
車率を検知する検知装置６により乗車率を検知する。こ
れらの情報は、Ａ／Ｄコンバータ２０を介してマイクロ
コンピュータ２４へ伝達される。

【００２７】一方、現在の各冷凍サイクルの運転状態を
検知装置７、８および制御盤９の接触器のＯＮ／ＯＦＦ
状態から検知し、Ａ／Ｄコンバータ２０およびディジタ
ルスイッチを介してマイクロコンピュータへ伝達する。
マイクロコンピュータでは、以下の手順により冷房・暖
房能力が決定される。

【００２８】顕熱モデルでは、乗客による顕熱負荷、換
気による換気負荷、壁からの熱放射による負荷と、現在
の室内温度と設定温度から顕熱負荷を算出する。冷房・
暖房出力演算部では、顕熱モデルで算出した顕熱負荷を
満たす冷房・暖房能力を算出し、空調装置が算出された
冷房・暖房能力を発生するように各冷凍サイクルの運転
状態を決定する。

【００２９】その後、Ｄ／Ａコンバータ２２を介して、
冷凍サイクルの制御手段である膨張弁１５ａ、１５ｂの
絞り量、インバータ周波数１９および制御盤９内の接触
器のＯＮ／ＯＦＦを設定する。上記のような制御方法に
よって、冷房・暖房負荷を満たすような冷房・暖房運転
を行う。

【００３０】除湿運転時には、圧縮機２ａを有したヒー
トポンプ式冷凍サイクルは暖房運転を行い、圧縮機２ｂ
を有した冷房専用サイクルは冷房運転を行う。このと
き、ヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器１６
ａ、１６ａ_１（凝縮器）を通過する室内空気は加熱さ
れ、冷房専用サイクルの室内熱交換器１６ｂ、１６ｂ_１
（蒸発器）を通過する空気は冷却・除湿される。

【００３１】室内熱交換器１６ａ、１６ａ_１、１６ｂ、
１６ｂ_１を通過した空気は室内送風機１８によって吸込
まれるために、冷却・除湿された空気と加熱された空気
が室内送風機１８のケーシング内で攪拌されるために、
吹出し空気は除湿された快適な温度の空気として吹出さ
れる。

【００３２】このとき、冷房による除湿能力と暖房によ
る再加熱量は、図１に示されるような方法で制御され
る。すなわち、室内温度検知器２、室内湿度検知器３に
より室内温度・湿度を検知し、室外温度検知器４、室外
湿度検知器５により室外温度・湿度を検知する。さら
に、乗車率を検知する検知装置６により乗車率を検知す
る。これらの情報は、Ａ／Ｄコンバータ２０を介してマ
イクロコンピュータ２４へ伝達される。

【００３３】一方、現在の各冷凍サイクルの運転状態を
検知装置７、８および制御盤９の接触器のＯＮ／ＯＦＦ
状態から検知し、Ａ／Ｄコンバータ２０およびディジタ
ルスイッチを介してマイクロコンピュータへ伝達する。
マイクロコンピュータでは、以下の手順により冷房・暖
房能力が決定される。

【００３４】まず、潜熱モデルでは、乗客の発汗による
潜熱負荷、換気による潜熱負荷、現在の室内湿度と設定
湿度との差より潜熱負荷を算出する。冷房出力演算部で
は、潜熱モデルで算出した潜熱負荷を満たすような冷房
能力を算出し、冷房運転側の冷凍サイクルが算出された
冷房能力を発生するように冷凍サイクルの運転状態を決
定する。

【００３５】次に、顕熱モデルでは、乗客の発熱による
顕熱負荷、換気による顕熱負荷、壁からの熱放射による
負荷および現在の室内温度、および冷房運転による顕熱
除去量から設定温度に対する顕熱負荷を算出する。暖房
出力演算部では、顕熱モデルで算出した顕熱負荷を満た
す暖房能力（再加熱能力）を算出し、暖房運転側の冷凍
サイクルが算出された暖房能力を発生するように冷凍サ
イクルの運転状態を決定する。

【００３６】その後、Ｄ／Ａコンバータ２２を介して、
冷凍サイクルの制御装置である膨張弁１５ａ、１５ｂの
絞り量、インバータ周波数２０および制御盤９内の接触
器のＯＮ／ＯＦＦを設定する。上記のような制御方法に
よって、潜熱負荷および顕熱負荷を満たすような除湿運
転を行う。

【００３７】なお、上記実施形態では、コンソールによ
る室内温度・湿度を設定し、時々刻々と変化する車室内
の環境に対応して除湿運転を行なう方式を記述している
が、あらかじめ、年間スケジュールを記憶させておき、
ＰＭＶ、ＳＥＴ等の快適性を考慮した目標室内温度を設
定する自動運転によって運転しても、同様の効果を発揮
させることができる。また、運転の能力制御にはＯＮ／
ＯＦＦ制御のみならず、ＰＩ、ＰＩＤおよびファジィ制
御等によって制御しても同様の効果を発揮することがで
きる。

【００３８】

【発明の効果】上述のとおり本発明によれば、複数の冷
凍サイクルを同一装置内に有する鉄道車両空調装置で、
冷房運転と暖房運転とを併用して除湿運転を行なうとき
に、室内送風機の吹出し温度を常に快適に保つ除湿運転
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】除湿制御システムとその処理手順を表したブロ
ック線図。

【図２】除湿制御システムを適用することができる鉄道
車両空調装置の平面図。

【図３】暖房時の処理手順を表したブロック線図。

【符号の説明】

１ コンソール ２ 室内温度検知器 ３ 室内湿度検知器 ４ 室外温度検知器 ５ 室外湿度検知器 ６ 乗車率検知装置 ７ 圧縮機運転周波数検知装置 ８ 減圧装置絞り量検知装置 ９ 制御盤 １０ コントローラ １２ａ、１２ｂ 圧縮機 １３ 四方弁 １４ａ、１４ｂ 室外熱交換器 １５ａ、１５ｂ 膨張弁 １６ａ、１６ａ_１、１６ｂ、１６ｂ_１ 室内熱交換器 １７ 室外送風機 １８ 室内送風機 １９ インバータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 明丸 大祐 山口県下松市東豊井794番地 株式会社日 立製作所笠戸事業所内 (72)発明者 松嶋 弘章 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の冷凍サイクルのうち、少なくとも
   一つの冷凍サイクルが冷房・暖房両用のヒートポンプで
   構成され、冷房運転および暖房運転を運転可能な鉄道車
   両空調装置の除湿制御方法であって、鉄道車両の車室内
   の目標温湿度に対する顕熱負荷および潜熱負荷を検知
   し、該潜熱負荷を満たすように冷房運転を行なうととも
   に、該冷房運転による顕熱除去量と前記顕熱負荷とから
   求めた再加熱量を満たすように暖房運転を行なうことを
   特徴とする鉄道車両空調装置の除湿制御方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の除湿制御方法におい
   て、前記車室内の顕熱負荷および潜熱負荷を、車室内と
   車室外の温度差および湿度差から予測し、該予測値に基
   づいて、冷房運転側の冷凍サイクルの能力と暖房運転側
   の冷凍サイクルの能力を制御して除湿運転を行うことを
   特徴とする鉄道車両空調装置の除湿制御方法。
3. 【請求項３】 請求項１〜２のうちいずれか１項に記載
   の除湿制御方法において、前記車室内の乗客の増減によ
   る潜熱負荷と顕熱負荷の変動を予測し、該予測値に基づ
   いて、冷房運転側の冷凍サイクルの能力と暖房運転側の
   冷凍サイクルの能力を制御して除湿運転を行うことを特
   徴とする鉄道車両空調装置の除湿制御方法。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載
   の除湿制御方法において、前記冷凍サイクルを圧縮機、
   室外熱交換器、減圧装置、および室内熱交換器を接続し
   て構成し、該冷凍サイクルの冷房および暖房能力の制御
   を、圧縮機の運転周波数、減圧装置の絞り量、および室
   内送風機の風量を変更することによって行うことを特徴
   とする鉄道車両空調装置の除湿制御方法。
5. 【請求項５】 それぞれ同じ車室内の空気と熱交換する
   室内熱交換器を有する複数の冷凍サイクルを同一の空調
   装置内に備え、少なくとも一つの冷凍サイクルが冷房・
   暖房両用のヒートポンプで構成され、冷房運転および暖
   房運転を行うことによって除湿運転を行う鉄道車両空調
   装置の除湿制御方法であって、前記車室内の顕熱負荷お
   よび潜熱負荷の予測値を、前記車室内外の温度差および
   湿度差と前記車室内の乗車率とから予測し、前記冷凍サ
   イクルが有する圧縮機の運転周波数、減圧装置の絞り
   量、および室内送風機の風量の、少なくともいずれかを
   変更することによって、前記潜熱負荷の予測値を満たす
   ように冷房運転を行なうとともに、前記顕熱負荷の予測
   値と該冷房運転による顕熱除去量とから求めた再加熱量
   を満たすように暖房運転を行なうことを特徴とする鉄道
   車両空調装置の除湿制御方法。
6. 【請求項６】 それぞれ同じ車室内の空気と熱交換する
   室内熱交換器を有する複数の冷凍サイクルを備え、少な
   くとも一つの冷凍サイクルが冷房・暖房両用のヒートポ
   ンプで構成され、冷房運転および暖房運転を行うことに
   よって除湿運転を行う鉄道車両空調装置であって、前記
   車室内の顕熱負荷および潜熱負荷の予測値を、前記車室
   内外の温度差および湿度差と前記車室内の乗車率とから
   予測する予測手段と、前記冷凍サイクルが有する圧縮機
   の運転周波数、減圧装置の絞り量、および室内送風機の
   風量の、少なくともいずれかを変更することによって、
   前記潜熱負荷の予測値を満たすように冷房運転を行なう
   とともに、前記顕熱負荷の予測値と該冷房運転による顕
   熱除去量とから求めた再加熱量を満たすように暖房運転
   を行なう制御部とを有することを特徴とする鉄道車両空
   調装置。